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电化学生物传感器 小組成員 倪丽燕 组长 吴佳凤 马晓杰 魏致富 慎小龙 陈翰 传感器 广义上讲 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置 简单地说 传感器是将外界信号转换为电信号的装置 传感器分类 一般 传感器可分为物理传感器 化学传感器和生物传感器 生物传感器实际上是化学传感器的子系统 但也常冠以其名单独作专题考虑 生物传感器 生物传感器是用生物活性材料 酶 蛋白质 dna 抗体 抗原 生物膜等 与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科 是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法 也是物质分子水平的快速 微量分析方法 电化学生物传感器 电化学生物传感器是以电化学传感器作为基础电极与生物活性材料组成的生物传感器 简称生物电极 电化学生物传感器主要包括酶电极 微生物电极 免疫电极 组织电极 细胞器电极 dna电极 电化学生物传感器的基本组成敏感元件 分子识别元件 和信号转换器件 电化学传感器 电流型传感器电导型传感器电位型传感器场效应传感器 电流型传感器 电流型传感器是通过激励电压测量响应电流 从而获取待测物质浓度的电化学传感器 优点主要是检出下限低 并能同时测定多种成分 电流型传感器使用的电化学分析仪多为三电极系统 即工作电极 参比电极和对电极 参比电极一般选用饱和甘汞电极或ag agcl电极 对电极一般为铂电极 工作电极通常选用碳电极为基础电极 电流型传感器的工作电极也常采用金属电极特别是铂电极和金电极 其金属表面可以进行电聚合形式的化学修饰 电流型传感器的电流测量 电流型传感器主要探测化学反应过程中的电活性物质 在一定的电极电压下 通过电极表面或其修饰层内氧化还原反应生成的电流随时间的变化来测量分析物 该电流直接测量的电子转移速度正比于待测物浓度 需要注意的是 电化学反应常受到一些非电流因素的影响 校正常常是一件很困难的事情 电极过程的基本类型 金属溶液rede ox e k rede ox a b c a 法拉第过程还原物质向金属电极表面移动 在电极上失去一个电子 然后以ox 的形式离开电极表面 由于正 负电荷同时离开界面向相反的方向移动而得到一个净电流 b 充电过程不发生氧化还原反应 电流是由于正 负电荷同时向界面移动但不穿过界面引起的 充电过程只能在很短的时间内发生 是一个暂态现象 c 电荷分离过程由redox e 的局部解离引起的 也是一个暂态过程 因为正 负电荷没有完全分离 仅形成带有ox 和e 的偶极子在界面对峙 所以没有电流产生 这种现象当存在支持电解质时会减小 法拉第电流由三个连续的过程引起 向电极表面的传质 发生氧化或还原反应 产物离开电极表面的传质 若忽略其他影响并不断搅拌溶液 其总的过程可描述如下roxrtrred ox ox s red s red 和 s 分别代表本体溶液和电极表面上的溶液 速度rox和rred为相应的物质扩散速度 rt为电荷转移速度 单位为mol cm 2 s 1 如果体系处于平衡状态 且没有电流通过 则rt 0 此时动力学过程由电荷转移控制 过程保持稳态 假如平衡电位es引入一个小偏差 则速度不再等于零 但仍然很小 过程受电荷转移控制 其反应式如下 rfox ne redrb rt rf rb kfcsox kbcsred式中正向反应和逆向反应同时存在 csox和csred分别代表电极表面溶液中还原态和氧化态离子的浓度 kf和kb分别表示还原过程和氧化过程的速度常数 这两个速度常数可用一个速度常数k0表示 传递系数用a表示 约为0 5 则上式又可写成rt k0csoxexp anf e e rt k0csredexp 1 a nf e e rt 式中 e代表外加电压 e 表示标准电极电位 n为反应中传递的电子数目 这个式子是电化学动力学的基本方程式 若要求的是电流而不是速度 则只需在两边乘以nfa a为电极面积 cm2 电流型生物传感器的应用 电流型免疫传感器的应用 电流型酶生物传感器的应用 电流型免疫传感器的应用 免疫传感器是生物传感器的一大分支 由于抗原和抗体的特异性反应 因此免疫传感器较其他生物和化学传感器有更高的专一性和选择性 电流型免疫传感器是生物传感器中最为成熟 应用最广泛的一种 电流型免疫传感分析是将免疫技术和电化学检测相结合的一种标记性免疫分析 其标记物有酶和电活性物质两类 电流型免疫传感器的测量过程一般包括两个步骤 首先通过一个竞争式或者夹心史的免疫反应 将酶标记物键合在传感器表面 然后通过一个酶催化反应引起测试体系的电流变化 例如 growley等利用分子印迹电极制成了电流型免疫传感器 并将其用于粒细胞 巨噬细胞 群体激活因子 gm cse 的分析 lee等用免疫色谱膜和厚膜电极制备了一种新型的脂质膜免疫传感器测定茶碱的含量 xu等将pod和抗肾上腺素一起固定在氧电极的亲和膜上 待测抗原和膜上的抗体结合后 抑制了pod对底物的电催化作用 免疫分析后用ph为1 5的稀盐酸洗涤 使传感器表面再生 aboul enein等将鼠单克隆的t3固定在碳糊中 制备了一种分析检测l t3的电流型免疫传感器 电流型酶生物传感器的应用 电流型胆碱酯酶生物传感器是一个重要的分支 它测定农药残留的工作原理是 在乙酰胆碱酯酶 ache 存在的情况下 乙酰硫代胆碱可以水解成乙酸和硫代胆碱 硫代胆碱有电活性 并能在一定电位下发生氧化反应 根据伏安扫描过程中硫代胆碱氧化峰的大小可以测定农药残留的浓度 例如 gogol等先将一层naflon膜 全氟磺酸离子交换膜 覆盖在印刷电极上 然后在戊二醛饱和蒸气下将马血清丁酞胆碱酯酶交联到膜上 christinebonnet等利用沉积吸附法在tcnq修饰过的石墨丝网印刷电极上固定ache 并且证明了该法除了具备酶回收率高的优点外 还有良好的使用性能 魏福祥等利用橡胶环将载酶硝酸纤维素膜固定在银基汞膜上 与饱和甘汞电极 铂对电极组成测试系统 ciucu等在碳糊电极上固定少量的乙酰胆碱酯酶的胆碱